способ упаковки радиоактивных отходов и пропиточный состав для обработки поверхности контейнера

Формула изобретения

1. Способ упаковки радиоактивных отходов, заключающийся в том, что готовят смесь радиоактивных отходов с цементным связующим, загружают смесь в контейнер, на внутренней поверхности которого предварительно формируют полимерсодержащее покрытие, и отверждают отходы, отличающийся тем, что в качестве цементного вяжущего и материала для изготовления контейнера используют латексцементную композицию, изготавливают контейнер путем введения нагретого до 80 90°C пуансона в залитую в форму композицию, выдерживания его в течение 0,3 7,0 ч, удаления пуансона и выдерживания отформованного контейнера в течение 20-48 ч до затвердения композиции, для формирования полимерсодержащего покрытия внутреннюю поверхность контейнера обрабатывают пропиточным составом в течение 0,5 4,0 ч, смесь в контейнер загружают ниже края на толщину его крышки, затем виброуплотняют смесь, формируют крышку контейнера путем заливки в контейнер латексцементной композиции, виброуплотняют и выдерживают контейнер со смесью в течение 20 48 ч, затем герметизируют крышку путем заливки ее пропиточным составом и выдерживания в течение 0,5 4,0 ч.

2. Пропиточный состав для обработки поверхности контейнера, содержащий олигоэфиракрилат, инициатор и ускоритель полимеризации, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.

Олигоэфиракрилат типа ТГМ-3 96,0 98,7

Инициатор перекись бензоила 1 2

Ускоритель нафтенат кобальта 0,3 2,0

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов (РАО) низкого и среднего уровня активности (до 10^-3 Ки/л) и других токсичных веществ путем перевода в отвержд нное состояние за счет включения в неорганическое связующее для последующего захоронения. Большое количество таких отходов образуется при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, а также в процессе эксплуатации АЭС и научно-исследовательских реакторов.

Известно, что для отверждения РАО низкого и среднего уровня активности широко применяют цементирование, создание монолитных цементных блоков [1] и последующую загрузку РАО в металлический контейнер, который герметизируют цементной крышкой [2]

Недостатком является высокая скорость вымывания радионуклидов из цемента ( 10^-3 г/см²сутки).

Из известных наиболее близким является способ упаковки РАО [3] заключающийся в том, что РАО, отвержд нные цементом, помещают в металлический контейнер для защиты от вымывания при проникновении воды или водных растворов природных неорганических солей при хранении, перед заполнением внутреннею боковую и придонную поверхности контейнера покрывают защитным слоем из полистирола. Смесь РАО со связующим веществом загружают ниже верхнего края контейнера. После отверждения отходов пространство над поверхностью отвержд нных РАО заливают ненасыщенным полиэфиром со стиролом в качестве растворителя. Прочное сцепление верхнего и боковых слоев происходит за счет растворения материала бокового слоя.

Недостатком способа-прототипа [З] является большой расход металла на изготовление контейнера и полистирола для создания прочного слоя. Использование металла в условиях длительного хранения РАО неэффективно, так как имеет место коррозия и разрушение блока. Недостаточна прочность полимерного слоя, после разрушения металлической оболочки возможно его нарушение.

Наиболее близким к настоящему пропиточному составу для обработки контейнера является состав для пропитки бетона или цемента [4]

Введение полимера в состав бетона [4] не приводит к существенному снижению вымываемости радионуклидов, так как бетонополимерные блоки сохраняют высокую пористость и проницаемость. Кроме того, недостаточно высока прочность бетона (не более 150 кг/см²), трещиностойкость. Состав [4] для пропитки цементного блока подобран таким образом, что первоначально в цементную массу включают твердые вещества, затем производят пропитку блока органическим растворителем, содержащим мономер и катализатор полимеризации. После завершения растворения твердых включений производят пропитку отвердителем полимера. Такая технология требует большего расхода пропиточного состава и его компонентов и соответственно высокой стоимости.

Задачей настоящего изобретения является повышение экономической эффективности процесса упаковки РАО.

Для этого для упаковки РАО контейнер изготавливают из латекс-цементной композиции предлагаемого состава, которую в виде цементного теста загружают в разъемную форму. Сначала формуют дно и стенки контейнера при давлении 0,01-0,1 МПа, для чего используют нагретый пуансон при температуре 80-90^oC. Через 0,3-7 часов пуансон выводят из формы. Отформованный контейнер выдерживают в течение 10-48 часов дня твердения цементной композиции. Зaтeм в контейнер заливают пропиточный состав, состоящий из олигоэфира с добавками перекиси бензоила и нафтената кобальта в количестве, рассчитанном на пропитку внутренней поверхности контейнера на глубину 2 см, вводят внутрь пуансон без нагрева, который вытесняет пропиточный состав до верхней кромки контейнера, время пропитки 0,5-4 часа. После этого пуансон выводят из контейнера, внутреннюю полость заполняют смесью РАО с цементно-вяжущей композицией. Контейнер загружают не полностью, оставляют полость для последующей формовки крышки контейнера, при загрузке контейнера смесь РАО виброуплотняют, затем полость, оставленную для формовки крышки, заполняют латекс-цементной композицией того же состава, из которого формовали непосредственно контейнер, и также виброуплотняют. Однако верхний уровень крышки должен быть ниже верхней кромки контейнера. В эту оставшуюся полость (0,2 см), спустя 10-48 часов после отливки крышки, заливают пропиточный состав. Контейнер может иметь форму цилиндра, шестигранника или прямоугольного параллелепипеда, пуансоны выполняют в форме усеченного цилиндра, усеченных пирамид соответственно.

В качестве материала контейнера используют латекс-цементную композицию, приготовленную в следующем соотношении компонентов, мас.

цемент 20 26

песок 54 67

вода 5,4 6,7

бутадиен-стирольный латекс 5,2 7,6

стабилизатор триполифосфат натрия 1,5 3,2

поверхностно-активные вещества тина ОП-7, OП-10 0,2 0,6

Добавки латекса улучшают свойства традиционных бетонов, в особенности прочность на растяжение и изгиб, солестойкость и водостойкость, трещиностойкость, адгезионные характеристики. Так, стойкость модифицированных латексом бетонов в солевых растворах в 2-3 раза выше по сравнению с обычными бетонами, пенетрация воды в бетон также резко снижается и при содержании латекса до 30-40% от массы цемента практически прекращается.

В испытаниях применяли синтетический бутадиен-стирольный латекс, представляющий собой коллоидную водную дисперсию полимера, стабилизированную ПАВ, содержащими гидроксильную группу.

В качестве пропиточного состава использовали олигоэфир ТГМ-3 с добавками в качестве ускорителя нафтената кобальта и инициатора полимеризации перекиси бензоила в соотношении, мас.

олигоэфир ТГМ-3 95,0 98,6

нафтенат кобальта 0,2 2,0

перекись бензоила 1 3

В пропиточном составе в качестве олигоэфиракрилата применяется низковязкий олигоэфир марки ТГМ-З, который при обычных условиях обладает высокой скоростью пропитки, глубину которой за счет состава композиции и технологии пропитки можно регулировать. Для его отверждения на основе многочисленных экспериментов была найдена бинарная система: перекись бензоила + нафтенат кобальта.

Пропиточный состав обеспечивает проникновение олигоэфира на глубину 2 см, образование прочного и нерастворимого полимера сетчатой структуры, обеспечивает максимальную экономичность и технологичность полимеризационного процесса.

Высокая скорость полимеризации резко ухудшает качество и глубину пропитки.

Именно заявленный состав обеспечивает формирование устойчивого слоя, монолитную поверхность бетона, образованного из латексно-цементной композиции.

Пример 1. Тщательно перемешивают цемент, песок, воду, латекс, стабилизатор, поверхностно-активные вещества в соотношении (мас.) 20,0 63,1 7,6 7,6 1,5 0,2. Смесь в количестве 57,6 л загружают в опалубку в форме цилиндра с разъемными стенками, внутренний диаметр которого 600 мм, высота 700 мм.

Подогретый пуансон при температуре 90^oС в форме усеченного конуса имеет размеры: высоту 660 мм, диаметр нижней части 500 мм, верхней части 540 мм. С помощью пуансона производят формовку дна и боковых стенок контейнера при давлении 0,1 МПа. Пуансон устанавливают при формовке на высоте 40 мм, что обеспечивает толщину стенки контейнера в донной части 40 мм. Через 2 часа пуансон выводят из формы. В этом состоянии форму выдерживают 20 часов. Затем в контейнер вводят пуансон при температуре 22^oС, устанавливают его на 53 мм выше формующего пуансона. В полость между стенками контейнера и пуансона заливают 12 л раствора 98,7 мас. олигоэфиракрилата ТГМ-3 с нафтенатом кобальта в количестве 0,3 мас. и перекиси бензоила в количестве 1 мас. Через 0,5 часа пуансон опускают на 13 мм, через 1,5 часа опускают на 25 мм. Через 4 часа пуансон выводят из контейнера и РАО в виде цементного теста при водно-цементном отношении 0,6 в количестве 131 л загружают в контейнер, виброуплотняют. Затем для формовки крышки контейнера поверх РАО загружают латекс-цементную композицию в количестве 9 л того же состава, из которого формовали стенки контейнера, и виброуплотняют. В образованную над крышкой полость через 0,5 часа заливают 0,6 л пропиточного состава, применявшегося для пропитки стенок контейнера. Через 0,5 часа контейнер с запечатанным внутри РАО можно транспортировать сначала на временное хранение, а чрез 240 часов на постоянное хранение в соответствующее хранилище.

Пример 2. Тщательно перемешивают цемент, песок, воду, латекс, стабилизатор, ПАВ в массовом соотношении 26 59 6 5,5 3 0,5 (мас.), смесь в количестве 88,7 л загружают в paзъ мную опалубку в форме куба со сторонами 700 мм.

Подогретый пуансон при температуре 80^oC в формe усеченной пирамиды имеет размеры: высоту 660 мм, сторону нижней плоскости пуансона 600 мм, сторону верхней 640 мм. При давлении 0,01 МПа производят формовку дна и боковых стенок контейнера. Толщина дна составляет 40 мм, толщина стенок 50 мм в нижней части и 30 мм в верхней части.

Через 5 часов пуансон выводят из формы. В этом состоянии форму выдерживают 30 часов. Затем в контейнер вводят ненагретый пуансон при температуре 18^oC, устанавливают его на 35 мм выше формующего пуансона, между стенками контейнера и пуансона заливают раствор 95% олигоэфира ТГМ-3 с 2% нафтената кобальта и 3% перекиси бензоила. Количество раствора 15,8 л. Через 0,17 часа опускают пуансон на 5 мм, затем еще через 0,17 часа на 5 мм. Через 0,5 часа пуансон выводят из контейнера. В контейнер загружают в виде цементного теста смесь РАО и цемента при водно-цементном отношении 0,5 в количестве 238 л. После виброуплотнения поверх РАО загружают латекс-цементную композицию в количестве 15,5 л, виброуплотняют. В оставленную над крышкой полость через 1 час заливают 0,8 л пропиточного раствора. Через 240 часов контейнер с РАО можно транспортировать на постоянное хранение в хранилище.

Изменение состава латекс-цементной композиции в сторону увеличения содержания латекса приводит к удорожанию композиции и ухудшению характеристик при пропитке олигоэфиров. Уменьшение содержания латекса в композиции приводит к снижению прочностных характеристик.

Нагрев формующего пуансона до указанных температур, выдержка его в течение 0,3-7 часов обеспечивает твердение бетона, при этом не происходит сцепление поверхности пуансона с бетонными стенками и дном контейнера. При уменьшении времени выдержки имеет место оплывание цементной массы и деформирование контейнера, при увеличении времени выдержки свыше 7 часов происходит прочное сцепление пуансона с цементным контейнером. Бетон, отвержд нный в течение 20-48 часов, имеют такую структуру, которая обеспечивает хорошую пропитку и образование прочного слоя. Уменьшение времени выдержки бетона до пропитки не позволяет получить устойчивый монолитный спой.

Пропиточный состав из маловязкого олигоэфира ТГМ-3 с добавками инициатора и ускорителя реакции полимеризации 2 и 3 мас. соответственно хорошо и быстро проникает в поры, пропитывает бетон, реакция полимеризации идет медленно и не препятствует проникновению раствора в поры. Полимеризация проходит полностью при последующей выдержке изделия (при твердении бетона, транспортировке и т.д.).

Поточный процесс формовки контейнера, заполнение еще не полностью отвержд нного контейнера смесью РАО с цементом при определ нном водно-цементном отношении, запечатывание контейнера латекс-цементной крышкой, последующая пропитка раствором обеспечивают герметичную упаковку РАО в прочный блок и непроницаемость блока для воды, солей, радионуклидов.

Использование предложенного способа упаковки РАО позволяет по сравнению с существующими отказаться от использования металлических контейнеров, т.е. снизить расход металла, снизить расход полимера, так как на формирование защитного слоя идет намного большe материала, чем на пропитку.

Использование латекс-цементной композиции обеспечивает пластичность при формовке контейнера, более высокие прочностные характеристики изделия.

Готовые блоки, полученные с использованием предложенного способа, обладают высокими прочностными характеристиками и высокой устойчивостью к вымыванию радионуклидов.